基于ANSYS有限元仿真的再生混凝土砌块砌体墙抗震性能研究

朱雅婷，唐 浩，周 旸

(1. 天津城建大学，天津300384；2. 天津华汇工程建筑设计有限公司，天津300384)

土木工程

基于ANSYS有限元仿真的再生混凝土砌块砌体墙抗震性能研究

朱雅婷1，唐 浩1，周 旸2

(1. 天津城建大学，天津300384；2. 天津华汇工程建筑设计有限公司，天津300384)

为了定性研究再生混凝土开孔砌体的抗震性能，利用 ANSYS软件对再生混凝土砌块砌体墙建立了仿真模型，针对再生混凝土砌块砌体墙在孔洞状况下施加水平低周反复荷载的三种情况、在孔洞状况下存在竖应力状况的两种情况、在孔洞状况下设有芯柱时的一种情况分别进行了仿真计算和分析；并将仿真结果与再生混凝土无孔状况进行了比较，从比较结果来看，模型能够定性分析再生混凝土砌块砌体墙的状态，为进一步利用该模型研究再生混凝土砌块砌体墙的工况提供了指导．

再生混凝土，砌体墙，抗震

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料(主要是粗集料)，再加入水泥、水等配比而成的新混凝土[1-3]．由于集料的形状和表面特征对混凝土性能有影响，通常来说当呈现立方体或球状颗粒且表面光滑时，对新拌混凝土的流动性有利，但与水泥石的黏结较差．而再生集料表面由于都包裹着砂浆，因此表面粗糙，这对提高与水泥石的黏结有利，但对于新拌混凝土的流动性不利，还会增加水泥的用量．且由于材料存在先天缺陷，其受力性能较为复杂[4]，为再生混凝土的推广使用造成限制．

我国是一个资源短缺、粗放经营的资源消费大国，这必将导致建筑资源的匮乏，因此对再生混凝土的受力性能进行研究，具有十分深远的意义．当前，对于采用再生混凝土砌块进行砌筑时，国内外学者已经进行了大量关于不同构造的再生混凝土砌块砌体墙的抗震性能研究[5-6]，但在以往的研究中，研究目标主要集中于对再生混凝土无孔静力受载情况进行研究，而少有对开孔墙体抗震性能的研究．而开孔砌体结构在建筑学上极为常见，因此，本文尝试以有限元对开孔再生混凝土砌体结构进行定性分析，以实现对带窗洞墙体在不同情况下的抗震性能进行研究．

1 仿真模型的建立

为了研究再生混凝土抗震性能，本文首先利用有限元软件 ANSYS10.0建立非线性有限元砌体模型，由于砖与砂浆接触面之间的黏结滑移关系研究目前尚不成熟，因此接触面的黏附强度难以获得．为了计算方便，仿真模型采用将砂浆和砌块作为一个连续整体来进行考虑而不再分别进行建模[7]．

1.1 模型尺寸

试件由底梁、墙体、顶梁和构造柱四部分组成．模型墙体长度和高度分别为2,150、1,250,mm，厚度 250,mm；采用 MU10级再生混凝土砌块，基本尺寸为390,mm×240,mm×190,mm，使用M10级普通水泥砂浆砌筑．底梁截面高 300,mm，宽350,mm，由 C20普通混凝土浇筑成型，纵筋 8φ16，箍筋双肢箍φ6@200．顶梁作为加载梁，截面积250,mm×160,mm，由C20普通混凝土浇筑成型，纵筋 4φ10，箍筋双肢箍φ6@200．构造柱截面为250,mm×120,mm，由C30普通混凝土浇筑成型，纵筋 4φ10，箍筋双肢箍φ6@200，为表述方便，该模型起名为RW-0．

1.2 模型基本参数设置

利用 ANSYS进行建模时，连续整体性砌体模型可采用 solid65模拟，因为其具有处理塑性、膨胀、徐变、应力刚化以及大变形和大应变的能力，且可以考虑三个方向的配筋，钢筋则采用LINK8单元模拟．为了迭代方便，砌体与钢筋之间不必考虑黏结滑移．由于当前关于砌体合适的弹塑性本构关系至今尚无一个被广泛认可的砌体应力应变关系及破坏准则，弹塑性本构关系通常有三部分：屈服准则、流动法则和强化规律．砌体的屈服准则可以考虑使用岩石工程中广泛使用的DP准则或ANSYS专门为钢筋混凝土单元solid65开发的CONCRETE材料准则[8-9]．

本文采用DP屈服准则，DP准则假设材料为理想弹塑性，无强化规律；流动法则使用不相关流动法则，即膨胀角fϕ取 0，另需输入两个相关参数，分别为黏聚力C、内摩擦角ϕ，由于

可计算获得黏聚力C和内摩擦角ϕ，其中

式中：σc和σt按照试验实测选取，取σt为 0.1,σc，计算得到 C＝237,452,MPa，φ=60.42°．其余参数通过查阅规范可得，见表1．

表1 相关材料属性

2 仿真结果

再生混凝土形成的砌块砌体墙的抗震性能受到诸多因素影响，本文主要对开洞大小、竖向压应力及设置芯柱3个因素进行分析．

2.1 开洞参数设置

在试件W-4墙体的基础上，在仿真模型上设置洞口．洞口尺寸共设置 3种情况，以考察带窗洞墙体在不同情况下的抗震性能．3种情况分别为：1,150,mm×800,mm(RW-1)、800,mm×800,mm (RW-2)、400,mm×750,mm(RW-3)．对试件在竖向压应力 0.8,MPa条件下，施加水平低周反复荷载．按规则 6面体划分单元后进行仿真计算，具体建模情况如图1所示．

图1 开孔建模情况

经 ANSYS仿真计算，获得三种情况的荷载位移曲线，如图2所示．

图2 荷载位移曲线

三种情况下 ANSYS的荷载及其对应的位移情况比较如表2所示．表中：Fui、Fxi、Δui分别表示各仿真状况下构件的极限荷载、最终荷载和极限荷载下的位移，无孔洞状态为“0”．

表2 各墙体的荷载和位移计算值及对比

由图2可知，各仿真构件在加载初期时处于弹性阶段；随着洞口水平尺寸增大，墙体的极限承载力随之下降，但各曲线的下降段都比较平缓，墙体延性较好，应当是由于两侧的构造柱对墙体起到了良好的约束作用．

表2中同时给出了洞口水平尺寸大小相对于各墙体极限承载力的影响及其对应位移的影响．三种受试情况中洞口面积占各墙体净面积比例分别为52.05%,、31.26%,、12.57%,，显然其极限承载力的下降幅度，并不与孔洞尺寸的大小呈线性相关关系，而是下降的要更快一些，这也和实验结果相符合；此外可以看出，随着洞口水平尺寸的变化，各墙体状况的极限承载力所对应位移也会有所改变，但其变化幅度却很小．

2.2 竖向压应力参数设置

砌体墙的竖向压应力对抗震性能有重要影响．考虑到再生混凝土砌块自身强度，对砌体墙上设有 1,150,mm×800,mm 孔洞状态下，再设置0.4,MPa(RW-4)、0.6,MPa(RW-5)这两种竖向压应力情况进行荷载位移仿真．经仿真运算后，获得各墙体荷载位移曲线如图3所示．

图3 竖向压应力荷载位移变化

不同竖向压应力下各墙体的计算结果如表3所示，其中：Fui、Fxi、Δui分别表示各仿真状况下构件的极限荷载、最终荷载和极限荷载下的位移．

表3 各墙体的荷载和位移计算值对比

由仿真结果进行分析，在不同竖向压应力下，砌体墙的荷载位移曲线在加载初期均基本呈线性关系；当位移达到一定值，表明砌体墙开裂，墙体开裂后，位移呈现出非线性上升；各墙体的极限承载力及其对应位移比较值差别不大；当达到极限承载力后，各位移曲线的下降速度也基本相同，随后趋于平缓[10-11]．

由表3中数据可以看出，墙体的极限承载力及其对应位移随着竖向压应力的增大均会有所改变，但变化幅度不大．

2.3 芯柱参数设置

为了研究在窗洞两侧设置芯柱对再生混凝土砌块砌体墙抗震性能的影响，对砌体墙上设有1,150,mm×800,mm孔洞状态下，在其孔洞两侧设置直径110,mm芯柱，内配1φ12通长纵筋进行实验，其芯柱混凝土由 C30普通混凝土浇筑成型．两者的荷载位移曲线对比如图4所示．

图4 设置芯柱荷载位移变化

RW-0和 RW-6根据位移计算公式得出两者的计算结果如表4所示．

表4 各墙体的荷载和位移计算值对比

由图4看出，两墙体在加载初期均呈现线性关系，且荷载位移曲线差距不大；但设置芯柱后墙体的极限承载力明显提高，且对应位移极限点有明显提高；达到极限承载力后，设有芯柱墙体的曲线下降速度稍快于未设芯柱墙体的速度，但总体来看承载能力明显增加．

3 结 论

本文运用 ANSYS对再生混凝土砌块砌体墙进行了建模，并设置了各种状况进行了仿真计算，由仿真结果可以得出以下结论．

(1)进行砌体极限承载力分析时，采用整体连续体模型比分离模型精度稍差，但分离模型计算量大，不适用于实验结果计算，建议采用整体连续体模型．处理砌体的建模、材料本构和破坏准则等问题，利用 ANSYS计算砌体结构的非线性有限元分析应是可行的．

(2)当再生混凝土砌块砌体墙上开有孔洞时，其极限承载力会随着孔洞尺寸的变化而发生改变，但是其下降的幅度不与孔洞尺寸的大小呈线性相关关系，墙体状况的极限承载力所对应位移不会发生太大改变，虽然变化幅度不大，但建议孔洞尽量不要开的太大．

(3)当再生混凝土砌块砌体墙上所开的孔洞尺寸一定时，砌体墙的极限承载力并不会随着对其施加的竖应力的大小而发生明显改变，证明在再生混凝土砌块砌体墙上开洞，极限承载力不会受竖应力影响，也不会影响它的抗震性能．

(4)当再生混凝土砌块砌体墙上所开的孔洞设有芯柱时，会明显提高墙体的极限承载力，所以孔洞中设有芯柱可以提高砌体墙的抗震能力．

对再生混凝土砌块砌体墙进行建模分析，通过各项数据对比，能够较好地定性分析再生混凝土砌块砌体墙在各种条件下的不同状态，为进一步研究再生混凝土砌块砌体墙的工作情况提供了基础．

我国城市每年产出的垃圾约为 60亿 t，其中建筑垃圾占 24亿 t左右，已达到了城市垃圾总量的40%,，而地震过后更会产生大量的建筑垃圾，其中废混凝土块、废砖瓦、废砂浆占到了绝大部分．如果能将建筑垃圾资源化再利用，突破技术盲点，克服传统材料自身的局限性，提高建筑的抗震性能，防止灾害的再次发生，则可解决震后废弃物处理和工程建设材料缺乏的双重难题．再生混凝土技术的研究能够在灾害发生后将原有混凝土材料回收再利用，不但可以解决建筑废弃物的处理问题，还能变废为宝，将其运用到再建设的过程中，既保护环境又节约资源，可对我国灾后重建工作提供更多的可行性方案．

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Research of Seismic Performance of Recycled Concrete Block Masonry Wall Based on ANSYS Finite Element Simulation

ZHU Yating1，TANG Hao1，ZHOU Yang2
(1. Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2. Tianjin Huahui Engineering & Architectural Design Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China)

Openings to the qualitative study of recycled concrete masonry seismic performance, by using ANSYS software of recycled concrete block masonry wall, a simulation model is established in the study. In view of the recycled concrete block masonry wall under the hole conditions of three horizontal low cyclic loading conditions, the condition of vertical stresses are presented in a hole condition under the two cases, the condition of the hole of a core column when a situation has been carried out on the simulation calculation and analysis, and the simulation results are compared with those of the recycled concrete with no hole condition, from the point of the simulation results, the model is good for the state of the qualitative analysis of recycled concrete block masonry wall, for the further study of recycled concrete block masonry wall is obtained by using the model of the working condition and providing

on the basis.

recycled concrete；masonry walls；seismic

TU352.11

A

2095-719X(2016)05-0325-04

2015-05-17；

2015-12-05

国家自然科学基金(51208334)；天津市自然科学基金(14JCQNJC7800)

朱雅婷（1988—），女，新疆克拉玛依人，天津城建大学硕士生.